Введение
Тест на твердость
Тест на твердость по Викерсу был разработан в 1921 году Робертом Л. Смитом и Джорджем Э. Сэндлендом в компании Vickers Ltd как альтернатива методу Бринелля для измерения твердости материалов. Тест Викерса часто проще в использовании, чем другие тесты твердости, поскольку необходимые вычисления не зависят от размера индентора, и один и тот же индентор может использоваться для всех материалов независимо от их твердости. Основной принцип, как и во всех общепринятых методах измерения твердости, заключается в оценке способности материала сопротивляться пластической деформации под воздействием стандартной нагрузки. Тест Викерса может применяться ко всем металлам и обладает одной из самых широких шкал среди тестов твердости. Единица твердости, определяемая в ходе теста, называется числом твердости по Викерсу (HV) или алмазной пирамидальной твердостью (DPH). Число твердости можно перевести в паскали, однако его не следует путать с давлением, которое выражается в тех же единицах. Число твердости определяется отношением нагрузки к площади отпечатка, а не к площади, перпендикулярной силе, и, следовательно, не является давлением.
Меры предосторожности
При проведении испытаний на твердость необходимо учитывать минимальное расстояние между отпечатками и расстояние от отпечатка до края образца, чтобы избежать взаимодействия между упрочненными участками и краевыми эффектами. Эти минимальные расстояния различаются для стандартов ISO 6507-1 и ASTM E384.
Vickers values are generally independent of the test force: they will come out the same for 500 gf and 50 kgf, as long as the force is at least 200 gf. However, lower load indents often display a dependence of hardness on indent depth known as the indentation size effect (ISE). Small indent sizes will also have microstructure dependent hardness values. For thin samples indentation depth can be an issue due to substrate effects. As a rule of thumb the sample thickness should be kept greater than 2.5 times the indent diameter. Alternatively indent depth, , can be calculated according to:
| Стандарт | Расстояние между отпечатками | Расстояние от центра отпечатка до края образца |
|---|---|---|
| ISO 6507-1 | > 3·d для сталей и медных сплавов и > 6·d для легких металлов | 2.5·d для сталей и медных сплавов и > 3·d для легких металлов |
| ASTM E384 | 2.5·d | 2.5·d |
Vickers values are generally independent of the test force: they will come out the same for 500 gf and 50 kgf, as long as the force is at least 200 gf. However, lower load indents often display a dependence of hardness on indent depth known as the indentation size effect (ISE). Small indent sizes will also have microstructure dependent hardness values. For thin samples indentation depth can be an issue due to substrate effects. As a rule of thumb the sample thickness should be kept greater than 2.5 times the indent diameter. Alternatively indent depth, , can be calculated according to:
Значения по Виккерсу, как правило, не зависят от усилия при испытании: они будут одинаковыми для 500 гс и 50 кгс, при условии, что усилие составляет не менее 200 гс. Однако при меньших нагрузках часто наблюдается зависимость твердости от глубины отпечатка, известная как эффект размера отпечатка (ISE). Малые размеры отпечатков также будут иметь значения твердости, зависящие от микроструктуры. Для тонких образцов глубина отпечатка может представлять проблему из-за влияния подложки. В общем случае толщина образца должна быть больше, чем в 2,5 раза, чем диаметр отпечатка. В качестве альтернативы глубину отпечатка можно рассчитать по формуле:
Vickers values are generally independent of the test force: they will come out the same for 500 gf and 50 kgf, as long as the force is at least 200 gf. However, lower load indents often display a dependence of hardness on indent depth known as the indentation size effect (ISE). Small indent sizes will also have microstructure dependent hardness values. For thin samples indentation depth can be an issue due to substrate effects. As a rule of thumb the sample thickness should be kept greater than 2.5 times the indent diameter. Alternatively indent depth, , can be calculated according to:
Перевод в единицы СИ
Для преобразования числа твердости по Виккерсу в единицы СИ, число твердости в килограммах силы на квадратный миллиметр (kgf/mm2) необходимо умножить на стандартное ускорение свободного падения, , чтобы получить твердость в МПа (Н/мм2), а затем разделить на 1000, чтобы получить твердость в ГПа. Твердость по Виккерсу также может быть преобразована в твердость СИ, основанную на площади проекции отпечатка, а не на площади поверхности. Площадь проекции, , определяется следующим образом для геометрии виккерсовского индентора:
Эта твердость иногда называется средней площадью контакта или твердостью Майера и, в идеале, может быть напрямую сопоставлена с другими испытаниями на твердость, также определенными с использованием площади проекции. При сопоставлении результатов других испытаний на твердость следует соблюдать осторожность из-за различных масштабных коэффициентов, которые могут влиять на измеренную твердость.
Оценка прочности на растяжение
Если твердость по Виккерсу (HV) изначально выражена в Н/мм² (МПа) или получена путем пересчета из кгс/мм², то предел прочности при растяжении (в МПа) материала можно приближенно оценить как σu ≈ HV/c, где c – константа, определяемая пределом текучести, коэффициентом Пуассона, показателем упрочнения и геометрическими факторами, обычно находящимися в диапазоне от 2 до 4. Иными словами, если HV выражена в Н/мм² (то есть в МПа), то предел прочности при растяжении (в МПа) ≈ HV/3. Данный эмпирический закон в различной степени зависит от характера упрочнения материала.
Применение
Штифты и втулки крепления стабилизаторов в авиалайнере Convair 580 были сертифицированы производителем самолета с твердостью по Виккерсу 390HV5, где цифра '5' обозначает пять килопондов. Однако на самолете, выполнявшем рейс 394 авиакомпании Partnair, впоследствии было установлено, что штифты были заменены на детали ненадлежащего качества, что привело к их быстрому износу и, в конечном итоге, к потере самолета. При исследовании аварии следователи обнаружили, что твердость некачественных штифтов составляла всего 200–230HV5.